Dinâmica: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 20 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

Cinemática

Velocidade
v = v0 + a·t
Deslocamento
s = v0·t + ½·a·t²
Sem o tempo
v² = v0² + 2·a·s
Unidades
1 m/s = 3,6 km/h

Método

  1. Liste o que você sabe: v₀, v, a, t e s, com unidades.
  2. Escolha a equação que contém suas três grandezas conhecidas e a incógnita.
  3. Escolha um sentido positivo e dê sinal negativo às grandezas no sentido oposto.
  4. Resolva e verifique se a resposta faz sentido físico.

Leis de Newton

Segunda lei
ΣF = m·a
Peso
W = m·g
Atrito cinético
Ff = μ·N
Em um plano inclinado
ao longo: m·g·sin θ, normal: m·g·cos θ

Método

  1. Desenhe um diagrama de corpo livre com todas as forças sobre o corpo.
  2. Escolha um sentido positivo ao longo do movimento.
  3. Decomponha as forças em componentes ao longo do movimento e perpendiculares a ele (em um plano inclinado: m·g·sin θ ao longo, m·g·cos θ contra o plano).
  4. Aplique ΣF = m·a ao longo do movimento; o atrito é μ·N contra o movimento.

Movimento de projéteis

Componentes
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
Posição
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
Altura máxima
H = h + vy²/(2g)
Alcance (solo plano)
R = v0²·sin 2θ/g

Método

  1. Decomponha a velocidade de lançamento em componentes: vx = v₀·cos θ e vy = v₀·sin θ.
  2. O movimento horizontal tem velocidade constante; o movimento vertical tem aceleração −g.
  3. Encontre o tempo de voo a partir do movimento vertical.
  4. Use esse tempo no movimento horizontal para encontrar o alcance.

Movimento circular

Aceleração centrípeta
a = v²/r = ω²·r
Força centrípeta
F = m·v²/r
Velocidade angular
ω = v/r = 2π/T
Curva plana, atrito
vmax = √(μ·g·r)

Trabalho e energia

Energia cinética
Ek = ½mv²
Energia potencial
Ep = mgh
Balanço de energia
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
Trabalho do atrito
W = μ·N·d
Potência
P = W/t

Quantidade de movimento e colisões

Quantidade de movimento
p = m·v
Conservação
Σm·v (before) = Σm·v (after)
Perfeitamente inelástica
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
Impulso
J = F·Δt = m·Δv

Método

  1. Escolha um sentido positivo e dê a cada velocidade o seu sinal.
  2. Escreva a quantidade de movimento total antes: Σm·v.
  3. Em uma colisão perfeitamente inelástica os corpos se movem juntos depois; em uma colisão elástica a energia cinética também se conserva.
  4. Iguale a quantidade de movimento antes à quantidade de movimento depois e resolva.

Rotação de corpo rígido

Momentos de inércia em relação a G
barra mL²/12, disco ½mR², anel mR², esfera maciça (2/5)mR², esfera oca (2/3)mR²
Teorema dos eixos paralelos
I = IG + m·d²
Raio de giração
I = m·k²
Barra em relação à extremidade
I = mL²/3
Equação do movimento
ΣM = I·α
Velocidade em rad/s
ω = 2π·n/60
Energia cinética
E = ½·I·ω²
Trabalho e potência
W = T·θ, P = T·ω
Rolamento sem deslizamento
v = ω·r, E = ½mv²(1 + I/(mr²)), a = g·sin θ/(1 + I/(mr²))
Quantidade de movimento angular
L = I·ω, I1ω1 = I2ω2
Impacto em torno de um pivô
m·v·d = I·ω

Método

  1. Escolha o eixo: um pivô fixo, ou o centro de massa para corpos que rolam.
  2. Encontre o momento de inércia em relação a esse eixo a partir dos resultados usuais, usando I = IG + m·d² para um eixo deslocado.
  3. Escolha o método: ΣM = I·α para acelerações e forças, energia (½·I·ω² + ½·m·v² + m·g·h) para velocidades, quantidade de movimento angular para impactos e mudanças bruscas.
  4. Relacione o movimento linear e o angular com v = ω·r e a = α·r, e converta rpm em rad/s.

Engrenagens e trens de engrenagens

Engrenagens acopladas
n1·N1 = n2·N2
Torque
T2 = T1·(N2/N1)·η
Potência
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Trem composto
relação total = produto das relações de cada estágio

Molas e pêndulos

Massa em uma mola
T = 2π·√(m/k)
Pêndulo
T = 2π·√(L/g)
Frequência angular
ω = √(k/m) = 2π/T
Velocidade e aceleração máximas
vmax = A·ω, amax = A·ω²
Energia
E = ½·k·A²

Vibrações mecânicas

Frequência natural
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
A partir da deflexão estática
ωn = √(g/δst)
Amortecimento crítico
cc = 2√(km) = 2mωn
Fator de amortecimento
ζ = c/cc
Frequência amortecida
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Decremento logarítmico
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Molas em paralelo
k = k1 + k2
Molas em série
1/k = 1/k1 + 1/k2

2Exercícios

1.CinemáticaMédia
a = 2,25 m/s²s = 700 m

Um avião parte do repouso e acelera uniformemente a 2,25 m/s² ao longo de uma pista. Encontre sua velocidade v após 700 m.

v₀ = 0a = 2,25 m/s²s = 700 m
v = m/s
2.CinemáticaDifícil
d = ?

Uma pedra é solta do repouso em um poço. O som do impacto na água é ouvido 1,8 s depois que a pedra é solta. A velocidade do som é 343 m/s; despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Encontre a profundidade d do poço.

ttotal = 1,8 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Leis de NewtonMédia
6 kg1,5 kg

Massas de 6 kg e 1,5 kg estão penduradas dos dois lados de uma polia leve e sem atrito, ligadas por um fio leve. O sistema é solto do repouso. Use g = 9,81 m/s². Calcule a tração T no fio.

m1 = 6 kgm2 = 1,5 kgg = 9,81 m/s²
T = N
4.Leis de NewtonDifícil
m1​ = 5 kg2 kgμ = 0,3

Um bloco de 5 kg sobre uma mesa horizontal está ligado por um fio leve, que passa por uma polia sem atrito, a uma massa suspensa de 2 kg. O coeficiente de atrito cinético entre o bloco e a mesa é 0,3. Use g = 9,81 m/s². Calcule a aceleração a do sistema.

m1 = 5 kgm2 = 2 kgμ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Movimento de projéteisMédia
v0​ = 36 m/s45°x = ?

Uma bola é lançada a 45° acima da horizontal do chão plano. Despreze a resistência do ar. Encontre a distância horizontal x percorrida antes de a bola atingir o chão.

v0 = 36 m/sθ = 45°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Movimento de projéteisDifícil
14 mv0​ = 27 m/s55°x = ?

Uma bola é lançada do nível do chão a 27 m/s e 55° acima da horizontal. Ela cai no telhado plano de um prédio de 14 m de altura, já descendo. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Encontre a distância horizontal x do ponto de lançamento até onde ela cai.

v₀ = 27 m/sθ = 55°hroof = 14 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimento circularMédia
θ = ?para o centro70 km/h

Um engenheiro rodoviário quer que os carros façam uma curva de raio 380 m a 70 km/h sem depender do atrito. Use g = 9,81 m/s². Encontre o ângulo de sobrelevação θ.

r = 380 mv = 70 km/hg = 9,81 m/s²
θ = °
8.Movimento circularDifícil
R = 4,5 mh = 15,3 m

Um carrinho de 1,5 kg é solto do repouso a uma altura de 15,3 m em um trilho sem atrito e passa por um loop vertical de raio 4,5 m. Use g = 9,81 m/s². Encontre a força normal Nbottom do trilho sobre o carrinho na base do loop.

m = 1,5 kgh = 15,3 mR = 4,5 mg = 9,81 m/s²
Nbottom = N
9.Trabalho e energiaMédia
25°d = 19 mμ = 0,3

Um bloco de 2,5 kg desliza 19 m por uma rampa a 25° da horizontal, com coeficiente de atrito cinético de 0,3. Encontre o trabalho Wf realizado contra o atrito.

m = 2,5 kgθ = 25°μ = 0,3d = 19 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabalho e energiaDifícil
h = 1 mL = 4,5 mμ = 0,1k = 2500 N/m

Um bloco de 1 kg é solto do repouso na altura 1 m em uma rampa lisa. Embaixo ele atravessa uma faixa horizontal áspera de 4,5 m (μ = 0,1) e depois encontra uma mola (k = 2500 N/m) em uma superfície lisa. Encontre a compressão máxima x da mola.

m = 1 kgh = 1 mL = 4,5 mμ = 0,1k = 2500 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Quantidade de movimento e colisõesMédia
600 kg24 m/s900 kg

Um carro de 600 kg a 24 m/s colide com um carro parado de 900 kg e os dois ficam presos um ao outro. Quanta energia cinética ΔK é perdida na colisão?

m1 = 600 kgv1 = 24 m/sm2 = 900 kgv2 = 0
ΔK = J
12.Quantidade de movimento e colisõesDifícil
800 kgv1​ = ?2000 kg

Um carro de 800 kg colide com um carro estacionado de 2000 kg. Os destroços ficam presos um ao outro e derrapam 12 m antes de parar. O coeficiente de atrito cinético entre os pneus e a estrada é 0,6. Use g = 9,81 m/s². Encontre a velocidade v1 do primeiro carro logo antes da colisão.

m1 = 800 kgm2 = 2000 kgd = 12 mμ = 0,6g = 9,81 m/s²
v1 = m/s
13.Rotação de corpo rígidoMédia
2 kgaαM = 6,5 kgR = 0,45 m

Um bloco de 2 kg está pendurado em um cabo leve enrolado em uma polia, um disco maciço uniforme de massa 6,5 kg e raio 0,45 m que gira em um eixo horizontal sem atrito. O bloco é solto a partir do repouso. Use g = 9,81 m/s². Encontre a velocidade v do bloco depois de cair 5 m.

m = 2 kgM = 6,5 kgR = 0,45 mg = 9,81 m/s²h = 5 m
v = m/s
14.Rotação de corpo rígidoDifícil
θ = 30°a

Um corpo (esfera maciça) rola sem deslizar por um plano inclinado de 30° em relação à horizontal. Use g = 9,81 m/s². Encontre a aceleração a do seu centro.

θ = 30°I = (2/5)·m·r²g = 9,81 m/s²
a = m/s²
15.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
d1​ = 160 mmd2​ = 250 mm960 rpmT1​ = 1200 NT2​ = 240 NP = ?

Uma correia passa por uma polia motora de 160 mm a 960 rpm. A tração é de 1200 N no lado tracionado e de 240 N no lado frouxo. Encontre a potência P transmitida, em kW.

d1 = 160 mmn1 = 960 rpmT1 = 1200 NT2 = 240 N
P = kW
16.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 32B = 50C = 15D = 30

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (32 dentes), no eixo de entrada girando a 3000 rpm, aciona a engrenagem B (50 dentes). A engrenagem C (15 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (30 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 3000 rpmA = 32B = 50C = 15D = 30
nout = rpm
17.Molas e pêndulosMédia
L = ?

Qual deve ser o comprimento de um pêndulo simples para ter período de 2,8 s? Use g = 9,81 m/s². Calcule L.

T = 2,8 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Molas e pêndulosDifícil
3,1 kgk = 360 N/mA = 16 cm

Uma massa de 3,1 kg presa a uma mola com k = 360 N/m é deslocada 16 cm da posição de equilíbrio e solta. Calcule sua velocidade máxima vmax.

m = 3,1 kgk = 360 N/mA = 16 cm
vmax = m/s
19.Vibrações mecânicasMédia
tx20 mm5 ciclos4,1 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 20 mm é seguido, 5 ciclos depois, por um pico de 4,1 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 20 mmx5 = 4,1 mmn = 5
ζ =
20.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 60m = 20 kg

Uma massa de 20 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 100 kN/m e a inferior k₂ = 60 kN/m. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 20 kgk1 = 100 kN/mk2 = 60 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Cinemática

Resposta: v = 56,12 m/s

Movimento com aceleração constante: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² e v² = v₀² + 2·a·s. Escolha a equação que contém as três grandezas que você conhece e a que você procura, e mantenha os sinais coerentes com um único sentido positivo.

Velocidade após a distância

v = √(2·a·s) = √(2·2,25·700) = 56,12 m/s

Resposta

v = 56,12 m/s
(202 km/h)
2.Cinemática

Resposta: d = 15,12 m

Movimento com aceleração constante: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² e v² = v₀² + 2·a·s. Escolha a equação que contém as três grandezas que você conhece e a que você procura, e mantenha os sinais coerentes com um único sentido positivo.

Duas partes do tempo

½·9,81·t₁² = 343·(1,8 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 617,4 = 0

Tempo de queda

Só a raiz positiva tem sentido físico.

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·617,4))/(2·4,905) = 1,756 s

Profundidade

d = ½·9,81·1,756² = 15,12 m

Resposta

d = 15,12 m
3.Leis de Newton

Resposta: T = 23,54 N

Segunda lei de Newton: a força resultante sobre um corpo é igual à sua massa vezes sua aceleração, ΣF = m·a. Desenhe um diagrama de corpo livre, escolha um sentido positivo ao longo do movimento e some todas as forças nesse sentido: forças aplicadas, o atrito μ·N contrário ao movimento e as componentes da gravidade.

Aceleração

A força motriz resultante é a diferença dos pesos; ela move a massa total.

a = (6 − 1,5)·9,81/(6 + 1,5) = 5,886 m/s²

Tração pela massa mais leve

T − m2·g = m2·a → T = 1,5·(9,81 + 5,886) = 23,54 N

Resposta

T = 23,54 N
4.Leis de Newton

Resposta: a = 0,7007 m/s²

Segunda lei de Newton: a força resultante sobre um corpo é igual à sua massa vezes sua aceleração, ΣF = m·a. Desenhe um diagrama de corpo livre, escolha um sentido positivo ao longo do movimento e some todas as forças nesse sentido: forças aplicadas, o atrito μ·N contrário ao movimento e as componentes da gravidade.

Aceleração do sistema

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (19,62 − 14,71)/7 = 0,7007 m/s²

Resposta

a = 0,7007 m/s²
5.Movimento de projéteis

Resposta: x = 132,1 m

Movimento de projéteis: sem resistência do ar, x = vxt e y = h + vyt − ½gt². As duas direções são independentes, exceto por compartilharem o mesmo tempo.

Decomponha a velocidade de lançamento

A velocidade horizontal é constante; o movimento vertical tem aceleração constante g = 9,81 m/s² para baixo.

vx = v0·cos θ = 36·cos 45° = 25,46 m/s
vy = v0·sin θ = 36·sin 45° = 25,46 m/s

Tempo no ar

Partindo e chegando na mesma altura: t = 2vy/g.

t = 2·25,46/9,81 = 5,19 s

Distância horizontal

x = vx·t = 25,46·5,19 = 132,1 m

Resposta

x = 132,1 m
6.Movimento de projéteis

Resposta: x = 58,04 m

Movimento de projéteis: sem resistência do ar, x = vxt e y = h + vyt − ½gt². As duas direções são independentes, exceto por compartilharem o mesmo tempo.

Decomponha a velocidade de lançamento

vx = 15,49 m/s, vy = 22,12 m/s

Tempo até cair no telhado

Raiz maior: a bola está descendo.

14 = 22,12·t − 4,905·t²
t = (22,12 + √(22,12² − 2·9,81·14))/9,81 = 3,747 s

Distância horizontal

x = vx·t = 15,49·3,747 = 58,04 m

Resposta

x = 58,04 m
7.Movimento circular

Resposta: θ = 5,791 °

Movimento circular uniforme: um objeto que se move com velocidade v em um círculo de raio r acelera em direção ao centro com a = v²/r, então precisa de uma força resultante para dentro F = m·v²/r. Essa força é fornecida por algo real: atrito, tração, gravidade ou uma força normal.

Unidades

v = 70/3,6 = 19,44 m/s

Ângulo de sobrelevação

tan θ = v²/(r·g) = 19,44²/(380·9,81) = 0,1014
θ = 5,791°

Resposta

θ = 5,791°
8.Movimento circular

Resposta: Nbottom = 114,8 N

Movimento circular uniforme: um objeto que se move com velocidade v em um círculo de raio r acelera em direção ao centro com a = v²/r, então precisa de uma força resultante para dentro F = m·v²/r. Essa força é fornecida por algo real: atrito, tração, gravidade ou uma força normal.

Velocidade pela conservação da energia

v² = 2·9,81·15,3 = 300,2 m²/s²

Forças

Em direção ao centro é positivo.

N = m·v²/R + m·g = 1,5·300,2/4,5 + 14,71 = 114,8 N

Resposta

Nbottom = 114,8 N
9.Trabalho e energia

Resposta: Wf = 126,7 J

Princípio trabalho–energia: a variação da energia cinética é igual ao trabalho de todas as forças. Escrever gravidade e molas como energia potencial (mgh e ½kx²) transforma isso em um balanço: energia inicial = energia final + energia perdida por atrito (μN·d).

Força de atrito

N = mg·cos θ = 24,53·0,9063 = 22,23 N
F = μN = 0,3·22,23 = 6,668 N

Trabalho contra o atrito

Wf = F·d = 6,668·19 = 126,7 J

Resposta

Wf = 126,7 J
10.Trabalho e energia

Resposta: x = 6,57 cm

Princípio trabalho–energia: a variação da energia cinética é igual ao trabalho de todas as forças. Escrever gravidade e molas como energia potencial (mgh e ½kx²) transforma isso em um balanço: energia inicial = energia final + energia perdida por atrito (μN·d).

Energia restante depois da faixa áspera

A rampa é lisa, então só a faixa remove energia.

mgh − μmgL = 9,81·(1 − 0,1·4,5) = 5,396 J

Compressão máxima

½kx² = 5,396 → x = √(2·5,396/2500) = 0,0657 m = 6,57 cm

Resposta

x = 6,57 cm
11.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: ΔK = 103680 J

Conservação da quantidade de movimento: quando nenhuma força externa atua durante uma colisão, a quantidade de movimento total Σm·v antes é igual à total depois. As velocidades têm sentido, então escolha um sentido positivo e dê sinal negativo às velocidades no outro sentido. Em uma colisão elástica a energia cinética também se conserva; em uma perfeitamente inelástica os corpos ficam unidos.

Velocidade comum

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 600·24/1500 = 9,6 m/s

Energia cinética antes e depois

Kbefore = ½·600·24² = 172800 J
Kafter = ½·1500·9,6² = 69120 J

Energia perdida

ΔK = 172800 − 69120 = 103680 J

Resposta

ΔK = 103680 J

A energia perdida vira deformação, calor e som.

12.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: v1 = 41,6 m/s

Conservação da quantidade de movimento: quando nenhuma força externa atua durante uma colisão, a quantidade de movimento total Σm·v antes é igual à total depois. As velocidades têm sentido, então escolha um sentido positivo e dê sinal negativo às velocidades no outro sentido. Em uma colisão elástica a energia cinética também se conserva; em uma perfeitamente inelástica os corpos ficam unidos.

Velocidade após a colisão

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0,6·9,81·12) = 11,89 m/s

Quantidade de movimento na colisão

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2800·11,89/800 = 41,6 m/s

Resposta

v1 = 41,6 m/s
(149,8 km/h)
13.Rotação de corpo rígido

Resposta: v = 6,113 m/s

Rotação em torno de um eixo fixo: a soma dos momentos em relação ao eixo é igual a I·α (ΣM = I·α), assim como ΣF = m·a na translação. Na forma de energia, um torque T que gira um ângulo θ (em radianos) realiza o trabalho T·θ, que altera a energia cinética ½·I·ω²; a gravidade acrescenta ou retira m·g·Δh do centro de massa. A potência é P = T·ω.

Bloco e polia

bloco: m·g − T = m·a
polia: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

Aceleração

a = m·g/(m + M/2) = 2·9,81/(2 + 3,25) = 3,737 m/s²

Velocidade depois da queda

v = √(2·a·h) = √(2·3,737·5) = 6,113 m/s

Resposta

v = 6,113 m/s
14.Rotação de corpo rígido

Resposta: a = 3,504 m/s²

Rolamento e quantidade de movimento angular: um corpo que rola sem deslizar tem v = ω·r, então sua energia cinética é ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). Em um plano inclinado isso dá a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). Quando nenhum momento externo atua em relação a um eixo, a quantidade de movimento angular em relação a esse eixo permanece constante, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, mesmo que se perca energia cinética.

Equações do movimento

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 0,4·m·r²·(a/r) → f = 0,4·m·a

Aceleração

a = g·sin θ/(1 + c) = 9,81·sin 30°/1,4 = 3,504 m/s²

Resposta

a = 3,504 m/s²
15.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 7,721 kW

Transmissões por correia: sem escorregamento, as duas polias têm a mesma velocidade periférica v = π·d·n/60, de modo que n₁·d₁ = n₂·d₂ e a relação de velocidades é d₂/d₁. O escorregamento s torna a polia movida um pouco mais lenta: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). A potência transmitida é P = (T₁ − T₂)·v, com T₁ a tração no lado tracionado e T₂ no lado frouxo. O atrito limita a razão das trações: T₁/T₂ = eμθ, em que θ é o ângulo de abraçamento em radianos na polia menor; para uma correia aberta, θ = π − 2·asen((d₂ − d₁)/(2C)) com distância entre centros C.

Velocidade da correia

v = 8,042 m/s

Potência

P = (1200 − 240)·8,042 = 7721 W = 7,721 kW

Resposta

P = 7,721 kW
16.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 960 rpm

Trens de engrenagens: engrenagens acopladas têm a mesma velocidade nos dentes, então n₁·N₁ = n₂·N₂: a engrenagem com menos dentes gira mais rápido. Engrenagens no mesmo eixo giram com a mesma rotação. A potência é transmitida (menos as perdas), então o torque aumenta quando a rotação diminui: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, e P = T·ω com ω = 2π·n/60.

Primeiro estágio

nB = 3000·32/50 = 1920 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 1920·15/30 = 960 rpm

Resposta

nout = 960 rpm

relação total = 3,125 : 1

17.Molas e pêndulos

Resposta: L = 1,948 m

Movimento harmônico simples: uma massa m presa a uma mola de constante elástica k oscila com frequência angular ω = √(k/m) e período T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Um pêndulo simples de comprimento L tem T = 2π·√(L/g). Com amplitude A, a maior velocidade é A·ω, a maior aceleração é A·ω² e a energia é ½·k·A².

Isole o comprimento

L = g·(T/2π)² = 9,81·(2,8/2π)² = 1,948 m

Resposta

L = 1,948 m
18.Molas e pêndulos

Resposta: vmax = 1,724 m/s

Movimento harmônico simples: uma massa m presa a uma mola de constante elástica k oscila com frequência angular ω = √(k/m) e período T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Um pêndulo simples de comprimento L tem T = 2π·√(L/g). Com amplitude A, a maior velocidade é A·ω, a maior aceleração é A·ω² e a energia é ½·k·A².

Frequência angular

ω = √(360/3,1) = 10,78 rad/s

Velocidade máxima

vmax = A·ω = 0,16·10,78 = 1,724 m/s

Resposta

vmax = 1,724 m/s
19.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,05038

Vibração livre de um sistema massa–mola: a frequência natural não amortecida é ωn = √(k/m) em rad/s, e fn = ωn/(2π) em Hz. Um amortecedor viscoso c dá o fator de amortecimento ζ = c/cc, com amortecimento crítico cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Um sistema subamortecido (ζ < 1) oscila em ωd = ωn·√(1 − ζ²). Molas em paralelo se somam, k = k₁ + k₂; molas em série se somam pelos inversos, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Decremento logarítmico

δ = (1/5)·ln(20/4,1) = 0,3169

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3169/√(39,48 + 0,1005) = 0,05038

Resposta

ζ = 0,05038
20.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 6,892 Hz

Vibração livre de um sistema massa–mola: a frequência natural não amortecida é ωn = √(k/m) em rad/s, e fn = ωn/(2π) em Hz. Um amortecedor viscoso c dá o fator de amortecimento ζ = c/cc, com amortecimento crítico cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Um sistema subamortecido (ζ < 1) oscila em ωd = ωn·√(1 − ζ²). Molas em paralelo se somam, k = k₁ + k₂; molas em série se somam pelos inversos, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Rigidez equivalente

Molas em série compartilham a mesma força e somam suas deflexões, então se combinam pelos inversos: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/100 + 1/60 → keq = 100·60/(100 + 60) = 37,5 kN/m

Frequência natural

ωn = √(37500/20) = 43,3 rad/s
fn = 43,3/(2π) = 6,892 Hz

Resposta

fn = 6,892 Hz

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